GEO卫星大型固面反射器背部高频箱热环境分析

寿秋爽 赵啟伟 周佐新

(北京空间飞行器总体设计部 空间热控技术北京市重点实验室，北京 100094)

一些地球静止轨道(GEO)卫星为了改善天线性能，把部分射频设备直接安装在天线反射器背部，因此需要在天线反射器背部设置一个高频箱[1-2]。由于同反射器距离很近，高频箱所处的外部热环境非常恶劣，尤其当反射器为固面且口径很大时。一方面，反射器对高频箱散热有遮挡作用，削弱了高频箱在半球方向的散热能力；另一方面，反射器导致高频箱外热流成分复杂，且引起高频箱外热流在一个轨道周期内的巨大波动。上述原因使得高频箱的热设计非常困难。

为了优化高频箱热设计，需要研究不同高频箱外热流成分的影响及其主要影响因素。由于高频箱同反射器直接连接这种构型比较复杂，目前尚未见到国外对类似构型高频箱外热流的理论研究。国外工程中主要依靠大型太阳模拟器进行试验研究，国内公开发表的文献中也没有类似的研究内容。虽然使用太阳模拟器可以较为准确地进行试验验证，但试验只是对设计的评价和考核，相对于设计是滞后的环节。在设计阶段，分析是最重要的手段。按照传统的分析方法，需要将卫星舱板及所附多层隔热组件、高频箱、天线结构及所附多层隔热组件在模型中建立节点，这导致模型建立和分析相对复杂，不利于设计的快速迭代[3]。本文试图通过将天线及所附多层隔热组件等效简化为一层涂层，按此状态分析高频箱温度，这样可以快速反推其热环境，识别对设计参数的影响和评价设计，方便设计的快速迭代。

综上所述，本文基于一些特定假设，利用IDEAS_TMG热分析软件对高频箱不同外热流成分的影响进行分析，并研究天线反射器背部不同热控措施对高频箱外热流的影响，为采取措施减小高频箱外热流、抑制高频箱温度在一个轨道周期内的波动幅度、改善设备温度水平提供依据。

1 高频箱外热流分析简化模型

GEO卫星上某高频箱构型如图1所示，高频箱及天线反射器安装在卫星东板上。高频箱、天线反射器及卫星东板的相对位置关系如图2所示。高频箱和天线反射器，以及高频箱和卫星东板之间均采取隔热措施，以减小它们之间的导热交换。为了简化，在本文的外热流分析中只包括高频箱、天线反射器及卫星东板；3个部分是独立的，相互之间没有连接关系。高频箱是一个外形尺寸为1200 mm×1200 mm×400 mm的封闭六面体，内部只考虑平行于其南板、北板散热面的长隔板，不考虑仪器设备。天线和高频箱处于在轨展开状态，其中天线反射器指向地球。卫星东板的尺寸为1720 mm×2000 mm，天线反射器的口径约为3000 mm。图3给出了在此几何模型上所划分的计算网格，共有1580个。另外，在本文的热分析中，把天线反射器背部多层隔热组件等效为涂层，并将该多层隔热组件和天线反射器设为一层计算节点。

图1 天线及高频箱在轨构型示意Fig.1 In-orbit configuration of antenna and RF box

图2 高频箱外热流分析几何模型Fig.2 Geometrical model of RF box for external heat flux analysis

注：高频箱朝上/下表面分别为北/南散热面。

上述模型中，高频箱南板、北板外表面全部处理为光学太阳反射镜(OSR)散热面，高频箱其余外表面均为多层隔热组件。天线反射器背部和卫星东板外表面包覆多层隔热组件。高频箱南板和北板上的热耗均为50 W，高频箱的其余部位没有热耗。由于运行在GEO上，高频箱的最大外热流出现在寿命末期夏至点(或冬至点)的当地时间12:00[4-5]。此时，太阳既照射高频箱北板散热面(或南板散热面)，也照射天线反射器区域。因此，本文选择寿命末期夏至当地时间12:00这一特定时刻进行分析，所有分析工况均为稳态。为了尽可能简化，本文均直接以受照的高频箱北板散热面平均温度(最高和最低温度的代数平均)高低来反映外热流的大小。

2 高频箱不同外热流成分影响分析

由于运行在GEO上，来自地球的红外辐射和对太阳光的反照热流可以忽略。高频箱外热流可以简单划分为：①直接入射的太阳光外热流；②天线反射器背部多层隔热组件所吸收的太阳光以红外辐射的形式到达高频箱的外热流；③到达反射器背部多层隔热组件的太阳光以反射光的形式到达高频箱的外热流。后两者均是太阳光通过反射器背部多层隔热组件间接到达高频箱的外热流。

为了研究上述3类外热流的影响，本节基于一些特殊假设设计出4个分析工况，具体如下。

工况1：假设天线反射器背部多层隔热组件对太阳光的透射率τ=1。根据此假设，直接照射到该多层隔热组件上的太阳光和通过高频箱反射到该多层隔热组件上的太阳光均不会以红外辐射或反射光的形式再回到高频箱。因此，本工况高频箱外热流将不包括上文所提到的外热流②和③，适用于研究高频箱直接入射太阳光的影响。

工况2：假设天线反射器背部多层隔热组件对太阳光的透射率为τ(τ≠1)，反射率ρ=1-τ。根据此假设，直接照射到该多层隔热组件上的太阳光和通过高频箱反射到该多层隔热组件上的太阳光仅以反射光的形式再回到高频箱，多层隔热组件所吸收的那部分太阳光的热影响为零。因此，本工况高频箱外热流将不包括外热流②，适用于研究太阳光经天线反射器背部多层隔热组件反射后以反射光形式对高频箱的热影响。

工况3：假设天线反射器背部多层隔热组件对太阳光的透射率τ=(1-αs)，太阳吸收比为αs。根据此假设，直接照射到该多层隔热组件上的太阳光和通过高频箱反射到该多层隔热组件上的太阳光仅以红外辐射的形式再回到高频箱，没有反射光。因此，本工况高频箱外热流将不包括外热流③，适用于研究太阳光被天线反射器背部多层隔热材料吸收后以红外辐射形式对高频箱的热影响。

工况4：天线反射器背部多层隔热材料对太阳光的反射率ρ=(1-αs)，太阳吸收比为αs。在这种情况下，高频箱外热流包括上述3类外热流。本工况为在轨真实工况。

图4给出了上述4种假设工况下高频箱北板的温度分布情况，所有工况中αs均为0.55(假设多层外表面膜为单面镀铝聚酰亚胺膜，膜面朝外)[6]。

图4 外热流对高频箱温度影响Fig.4 External heat flux effects on temperature of RF box

从图4中可以看到，在只有直接入射太阳光外热流时，高频箱北板的平均温度为-5.8 ℃，见图4(a)。在考虑了反射光外热流后，高频箱北板的平均温度上升到1.4 ℃，见图4(b)。同工况1相比，工况2中北板的平均温度上升了7.2 ℃。在考虑红外热流而不考虑反射光外热流的情况下，高频箱北板的平均温度上升为17.8 ℃，见图4(c)，比工况1中北板的平均温度上升了23.6 ℃。在既考虑红外热流又考虑反射光外热流的情况下，北板的平均温度为24.6 ℃，见图4(d)，比工况1中的北板平均温度上升了30.4 ℃。

由此可见，来自天线背部多层隔热组件的红外辐射及反射光的影响都非常大。在高频箱热设计中必须考虑这两类外热流的影响，不能轻易忽略其中任一个因素。相比较而言，来自天线背部多层隔热组件的红外辐射影响更大，这是由于OSR散热面的太阳吸收比较小而红外吸收率较高。从这个角度来说，应尽可能降低来自天线背部多层隔热组件的红外辐射。

3 天线反射器背部热控材料影响分析

天线反射器背部一般包覆多层隔热组件，以减小剧烈变化的外热流对热变形的影响。卫星外部多层隔热组件由多层芯和面膜组成[7]。面膜的种类很多，常见的有单面镀铝聚酰亚胺膜、F46镀银二次表面镜，以及黑色聚酰亚胺膜[8-9]等。由于多层隔热组件隔热效果好[10]，面膜材料对天线反射器自身温度的影响非常小，但对同天线反射器直接相连的高频箱来说会有很大的区别。本节研究不同多层隔热组件外表面膜材料对高频箱的热影响，为高频箱热设计优化提供依据。

3.1 理论分析

假设多层隔热组件是绝热的，其对太阳光的反射为漫反射，且多层隔热组件对太阳光不透明。另外，不考虑高频箱对“从多层隔热组件到高频箱的”红外辐射和反射光的再次反射的影响。多层隔热组件外表面膜的发射率为εMLI，太阳吸收比为αs，对太阳光的反射率ρ=1-αs。

根据多层隔热组件绝热的假设，多层隔热组件吸收的太阳能全部以红外辐射的形式辐射出去。根据斯蒂芬-玻尔兹曼(Stefan-Boltzman)定律，此时多层隔热组件外表面某点的辐射强度EMLI如式(1)所示，该点对太阳光的反射强度RMLI如式(2)所示。

EMLI=εMLI·σ·TMLI4=αs·S·cosθ

(1)

式中：σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；S为太阳常数；TMLI为该点多层隔热组件的表面温度；θ为入射光同该点多层隔热组件法线方向的夹角。

RMLI=ρ·S·cosθ=(1-αs)·S·cosθ

(2)

假设多层隔热组件上该点对高频箱散热面的角系数为Φ，则多层隔热组件红外辐射及反射光到达高频箱散热面的强度Ei和Ri分别为

Ei=EMLI·Φ=αs·S·cosθ·Φ

(3)

Ri=RMLI·Φ=(1-αs)·S·cosθ·Φ

(4)

此时，高频箱散热面所吸收的多层隔热组件红外辐射及反射外热流为

EMLI-OSR=εOSR·Ei+αOSR·Ri

(5)

式中：εOSR和αOSR分别为OSR散热面的发射率和太阳吸收比。

将式(3)和(4)代入式(5)，可得

EMLI-OSR=[(εOSR-αOSR)·αs+αOSR]·

S·cosθ·Φ

(6)

由于εOSR大于αOSR，因此EMLI-OSR将随多层隔热组件外表面膜太阳吸收比的增加而增加。这说明在选择天线反射器背部多层隔热组件外表面膜时，应尽可能选用那些太阳吸收比小的材料。从式(6)可以看到，EMLI-OSR的大小与多层隔热组件外表面膜的发射率无关。

将式(6)进行变换，可得

EMLI-OSR=[αs+(1-αs)·αOSR/εOSR]·

εOSR·S·cosθ·Φ

(7)

定义折算太阳吸收比

αs,ZS=αs+(1-αs)·αOSR/εOSR

(8)

则式(7)变为

EMLI-OSR=αs,ZS·εOSR·S·cosθ·Φ

(9)

式(9)可以解读为：太阳光被天线反射器背部多层隔热组件外表面吸收和反射后对高频箱的红外辐射和反射光总加热效果，相当于该多层隔热组件以αs,ZS吸收太阳光后仅以红外辐射方式对高频箱的加热效果。结合式(6)和式(7)也可以看到，天线反射器背部多层隔热组件外表面膜的太阳吸收比越小，折算太阳吸收比就越小，因此相应的太阳光通过天线反射器后被高频箱散热面吸收的热流就越小，从而就越有利于高频箱的散热。

3.2 定量分析

本节定量分析常用多层隔热组件外表面膜对高频箱的热影响。F46镀银二次表面镜、单面镀铝聚酰亚胺膜和黑色聚酰亚胺膜的太阳吸收比和发射率，以及折算太阳吸收比，如表1所示。

表1 多层隔热组件外表面膜的发射率及太阳吸收比Table 1 ε and αs of outer film of multilayer insulator

图5给出了上述外表面膜对高频箱北板温度的影响。其中：图5(a)～5(c)是按照薄膜真实太阳吸收比和发射率计算的温度；图5(d)～5(f)是按照薄膜折算太阳吸收比和第2节工况3中的假设计算的温度。

图5(a)～5(c)中的结果表明：随着多层隔热组件外表面太阳吸收比的升高，高频箱北板的温度也逐渐升高。3种情况下北板的平均温度分别为21.3 ℃、24.6 ℃和32.1 ℃。由于被多层隔热组件吸收的太阳能主要以红外辐射的形式辐射出去，因此太阳吸收比越大，入射太阳光转变成红外辐射的份额就越大，高频箱散热面所吸收的外热流就越多。

从图5(d)～5(f)中可以看到：对应3种多层隔热组件外表面膜，按折算太阳吸收比计算的高频箱北板的平均温度分别为19.3 ℃、23.1 ℃和33.2 ℃，同对应的图5(a)～5(c)中北板平均温度比较接近，可以说两者的差别在允许的范围内。这说明，天线反射器背部多层隔热组件折算太阳吸收比模型可以用来计算高频箱外热流大小，这在一定程度上可以简化高频箱外热流分析模型的复杂程度。同时，利用该模型，还可以简化高频箱热平衡试验时外热流模拟措施，也就说，可以把第2节中所介绍的外热流②和③合并为一类，即仅考虑来自天线反射器的红外辐射(此时多层隔热组件太阳吸收比按照折算太阳吸收比计算)。若分别模拟外热流②和③的话，由于反照光在高频箱散热面上的分布很不均匀，因此高频箱散热面需要划分为多个区域分别模拟其吸收的太阳光，这会在一定程度上增加高频箱外热流模拟装置的复杂程度。

图5 不同多层隔热组件外表面膜对高频箱北板温度影响Fig.5 Multilayer insulator outer film effects on temperature of RF box

4 结论

本文针对GEO卫星上“高频箱安装在天线反射器背部”这种特殊构型，将天线反射器背部多层隔热组件等效为涂层，并将该多层隔热组件及天线反射器处理为一层计算节点，通过人为设定不同的涂层特性定量获得了高频箱不同外热流成分的影响大小，并分析了天线反射器背部多层隔热组件不同外表面膜的影响，为高频箱热设计提供了重要依据。具体结论如下。

(1)太阳光直接照射外热流、来自天线反射器背部的红外辐射外热流和太阳光反照外热流，对高频箱温度的影响均非常大，在进行高频箱热设计时必须充分考虑这些成分的影响。

(2)同来自天线反射器背部的太阳光反照外热流相比，来自反射器的红外辐射热流的影响更大。

(3)太阳光通过天线反射器背部多层隔热组件到达高频箱散热面而被吸收的外热流，主要与多层隔热组件外表面膜的太阳吸收比有关。

(4)天线反射器背部外表面膜太阳吸收比越小，高频箱散热面所吸收的外热流就越小。因此，在天线反射器热控时应尽可能选用太阳吸收比小且稳定的薄膜作为多层隔热组件外表面膜。

(5)来自天线反射器背部多层隔热组件的红外辐射热流和对太阳光的反射热流，可以等效为来自反射器背部的红外辐射热流，从而可以简化热试验时高频箱外热流的模拟措施。